电厂温排水条件下河流水温的数值模拟

２３ 数值方法 ．
连续方程要求每个单元质量守恒， 使用在一个时间步长上建立集中质量单元的守恒格式。 对动量及物质输运方程的离散求解分两步进行： 第一步， 方程采用特征线方法求解； 第二步， 方程采用对时间差分的半隐式格式与集中质量方法求解。
２４ 计算区域及网格尺度 ．
计算域是： 上游断面取在电厂取水口 上游 ８８ ．ｋ ｍ处， 下游断面取在取水口 下游 ２． ４６ ｋ ｍ
（的 爷 二） 瑕 瑞
０６ ０．４ ０２
一 实测值 ． 计算值
０ ０
５ ０
１０ ０
１０ ５
２０ ０
２０ ５
３０ ０
３ ０ ５ ０ ４０
距离 （ ） ｍ
图 ５ 流速验证结果
・２ ８ ・ １
通过对水位、流速及流量验证， 认为本项工作所采用的数值模型及选定的参数是合适的 能够用于该电厂冷却水运动的数值预报。
关键词 温排水 数值模拟 河流
１ 电厂概况
某新建火电厂位于郁江北岸，电厂建设规模按
＠桂平市
２０ Ｍ ４０ Ｗ燃煤机组规划， 分期建设， 一期工程装机 ２ ０ ＭＷ， Ｘ６０ 二期工程装机 ２ ６０ 采用直流 Ｘ ０ ＭＷ， 供水系统，以郁江作为循环冷却水源，电厂位置如 图１ 所示。为给环评工作提供科学依据，需定量计 算郁江内的温度场，确定温排水的影响范围，验证
６４ ． ℃
５０２ ５ ．
２． ８６
１ ５
２ ０ 火６ ０
３． ３ｓ ０１ ｍ ／ ７
６４ Ｃ ． ０
８７０ １．
２． ８８
一期排水口 位于取水口下 游约 ７０ ０ ｍ处
注：限于篇幅，以下仅就工况 １， ，巧 立论。 ３ １ ４
４２ 流场分析 ．
河道弯度较大， 河面较窄，平均河宽 ３０ ０ ｍ， 水流基本沿深槽流动。河道转弯时，主流偏向凹
１０ ０
— ．
实测值 计算值
１０ ５
２０ ０
２０ ５
３０ ０
３ ０ ５ ０ ４０
距离 （） ｍ （的 飞 ￣） 瑕 跪
肠 ０．４ ０．２
取水 口断面
—
实测值
． 计算值
。０
左水边
５ ０
１０ ０
１０ ５
２０ ０
２０ ５
３０ ０
３ ０ ５ ０ ４０
距离 （ ） ｍ
下２ 断面
ｔ 时 变 ； 为 才 数 Ｃ 工 ６ 二 糙 系 ； ｒＥ， 为 间 量 Ｃ 谢 系 ， 一 Ｈ ； 为 率 数 Ｅ， ， 为水流
广义扩散系数；Ａ Ｔ为水温，Ｔ 为自 － 然水温； ， ， Ｄ ，Ｄ 为广义 Ｔ为水体超温 ，Ａ ＝Ｔ － Ｔ －Ｔ ， 热扩散系数；Ｋ 为水面综合散热系数 ； 为 ， Ｐ 水体密度； 为 ９ 重力加速 Ｃ为 定压比 度； ｐ 水的 热；
Ｃ＇ Ｈ
瓮 ｕ＋ 十 十 ＋ ｖｇ 窦 窦 黔
能量输运方程 ：
ＣＺ Ｈ
豁＋ ・ 六 Ｈ瞥， 爵Ｄ 一 ・ 瓷一影Ｄ ＋ Ｈ蓄， 瞥十 ， 六 ， 箫 ，
２６ １
（ ３ ）
式中： Ｈ为水深， ｈ十９ ｈ为基准面以 Ｈ＝ 。 ， 。 下水深，夸 为相对基准面水位； ， ， ｕｖ 为ｘ ｙ 方
向垂向平均流速
电厂温排水条件下河流水温的数值模拟
黄春花 段杰辉 赵顺安 袁 狂
中国水利水电科学研究院水力学研究所， 北京，１０４ ００４
摘 要 电厂采用直流冷却方式时， 其冷却水将直接排入受纳水体中，对其造成热污染，可能引起 环境生态问题。因此，需定量计算受纳河流的温度场，以确定温排水的影响范围，验证取、排水口 位置的合理性，并为环评工作提供科学依据。本文应用垂向平均的二维常系数数学模型对广西省某 火电厂温排水受纳河流的温度分布及其变化规律进行数值模拟，验证了取、排水 口 位置选择合理， 对受纳河流中的水生生物不会引起负面影响。
对上述取水口附近三个断面而言，实测流速与计算所得流速比较，如图 ５ 所示，两者的
・２ ７ ・ １
分布形态大致相同。 依据模拟结果统计得出的取水口 断面流量Ｑ ０ ｍ／，与实测记录的 ＝８２ ｓ ３
来流量 ７６ ／ 吻合较好。 ９ｍ ｓ ３
上１ 断面
取水 排水
取水 口
００８ ．８ ００２ ．０
００ ．０
３ Ｃ
０７９ ．６
２ ℃
８３４ ． ＂ ４
００３ ．３ ００８ ．１
１ ０ Ｃ
８４ １ ．１ “
０ ４２ ．３
０００ ．０
０００ ．０
００６ ．０
００２ ．０
０ ２５ 本项研究所采用的二维数学模型的水位、流速验证结果良好，可用于计算研究本电 厂的冷却水问题， 并为电厂的水环境评价及工程设计提供科学依据。 ＜） 位于河道弯段的凹岸，取水条件好。取水口布置在排水口上游，取水温度基 ２ 取水口 本不受温排水影响，可保证取到低温的上游来水。 （） ３ 取水口布置在排水口 下游约 ４０ ０ ｍ处时，温排水自 排水口流出后，大部分进人取水 口， 使取水温升巨增， 该方案从技术上是不可行的。
２ ７４ ｍ ／ Ｘ３． １ ｓ ＇
８６ ０ ． Ｃ ７
夏季 ９％枯水 ５ 夏季 ９％的枯水 ７
１ ３
２ ０ Ｘ６ ０
３． １ ／ ７４ 时 ｓ
８６ Ｃ ０ ． ７
夏季 ９％枯水 ０
枯水期 春季
３１ ６
２． ８６
排水口 位于取水 口上游约
４０ ０ ｍ处
１ ４
２ ０ Ｘ６ ０
３．７ ／ ０１ 耐 ｓ
取排水口 相
对位置
全年 ９肠 ０ 枯水 全年 ９％的枯水 ５ 全年 ９％的枯水 ７
２
３
２ ６０ Ｘ ０
４ ５
夏季９％枯水 ０
３． １ ／ ７４ ｍ ｓ ３
８６ Ｃ ０ ． ７
３１ ６ ２５ ７
２ １ ２ ２７ ２
夏季 ９写枯水 ５ 夏季９％的枯水 ７ 全年 ９％枯水 ０
一期排水 口位于取水 口下
２ 所示） 。
图 ２ 网格示意图
３ 模型验证
３１ 实测水位验证 ．
计算域内实际测量了１ 个断面的水位， ３ 其中取水口附近 ３ 个测量断面位置如图３ 所示。 本项研究采用郁江航道航行图进行流场验证计算， 计算所得的水位沿程变化与实测资料吻合
较好，如图 ４ 所示。
３２ 实测流速 、流里验证 ．
岸，随着河道的曲直走向，主流左右摆动；河道
由宽变窄时，流速沿河宽方向趋于均匀。这样的 水流较利于下泄温排水的横向掺混，河道纳热能 力可得到充分利用。
４３ 温度场分析 ．
各计算工况的等温升线沿江分布如图 ６ 、图 ７ 、图８ 所示， 计算域内的等温升线包络面积列于
表２ 。
计算结果表明： 排水口近区温排水与上游来 水掺混后，温升迅速下降，水温的下降则以表面
图 ３ 取水口附近实测断面位Ｉ
￣ ３． １ ０
注
＊ ３ ０ ． ５
３刀 ０
） 一
— 实测值 ． 计算值
５ 取水 口断面
１ ０
１ ５
２ ０
２ ５
３ ０
距离 （ ） ｋ ｍ
图 ４ 水面线率定结果
上１ 断面
（的 爷 巴） 划 璐
Ｕ ｎ ｌｌ Ｕ ｎ
叶 仆 吐 月 与
５ ０
・２ ０ ・ ２
４ 计算结果及分析
４１ 计算工况 ．
根据计算要求， 计算工况见表 ｔ ｏ
表 １ 计算工况表
工况
１
装机容量
（ ＭＷ）
冷却水量及 排水温升 ３５５ ｍ ／ １．２ ｓ ３
１ ． ０Ｃ Ｃ
水文条件
流量
３ ｍ ｓ （ ／）
２７ ２
２４ １ ２３ ０
取水 口水位
（ Ｍ）
处，左右为岸； 其面积约 １ ｋ ＇ １ 。网格剖分需能够很好地模拟复杂边界形状，大、小网格过渡 ｍ 均匀， 计算网格尺度能够反映水工构筑物及沿岸地形的主要特征，以便于研究分析流场和热扩 散的影响。据此， 本计算域共剖分 １６２ ２３ 个单元， １３ ７３ 个计算结点，网格最小尺度为 ３ ｍ 如图 ０ （
图 ６ 工况 １ 温升沿江分布（ ３ 单位： ℃）
・２ ９ ・ １
散热为主。除排水口附近外， 沿江随着水体温升的下降，温降梯度逐渐变小。该电厂取、排 水口位于河道的弯段， 河道凹岸水深较深， 有利于取到冷水。工况 １ 的 ３ ３ ℃等温升线不超过 １２ ／ 河宽， 工况 １ 和工况 １ 的 １ ４ ５ ℃等温升线不超过 １２ ／ 河宽。当排水口 位于取水口下游时， 取水温升不受本厂温排水的影响，即取水温升为 。 ℃；当排水口位于取水 口上游时，取水温
６
７
游约７０ ０ ｍ处；二期排水 ２ ． ８６ 口 位于取水 口下游约 ６０ ０
ｍ处
８
９
２ １．２ ／ Ｘ３５５ ｍ ｓ ３
１． ℃ ０４
４ ６０ Ｘ ０
全年９％的枯水 ５
全年 ９％的枯水 ７ 夏季 ９％枯水 ０
２４ １ ２３ ０ ３１ ６
２５ ７ ２ １ ２
１ ０ １ １ １ ２
升将会受到影响，此时取水温升可达 ５ ＊， ｃ
图 ７ 工况 １ 温升沿江分布（ ４ 单位： ℃）
图 ８ 工况 １ 温升沿江分布（ ５ 单位： ℃）
表 ２ 各计算工况等温升线包络面积表（ 计算域内，ｋ ｝ ｍ）
工况
１ ３ １ ４ １ ５
等温升线包络面积（ｍ ） ｋ２
５ ０ Ｃ
００ ０ ．４
４ Ｃ
取 、排水口布置的合理性。 ２
数学模型
２．
月 １
图 １ 电厂位置示意图
控制方程
采用垂向平均的二维常系数微分方程。
连续方程 ：
ａ 月ｕ （ ）
改
＋
ａ 月ｖ （ ） 勿
（） １
运动方程 ：
ａ － ＋ ｘ ｔ １ ｇ ＋ － － ａ ｝ ｖ － 霏 ｕ ａ ｘ
． ｆ 为柯氏 力系数； ｕ 为表面风应力：在ｘ ｙ ｒ， ｒ ｙ ｒ ： ， 方向的分量。
２２ 定解条件 ．
初始条件：全场为静流场、零温升，即
；‘ 二。 Ａ （，，） Ｉ。 ， Ｔｘｙ０ ＝０ 一
流场边界值的选取： 上、下游水边界给定水位； 岸边界采用流速滑移条件。 温升边界控制： 岸边界采用绝热条件； 水边界， 流出计算域时按式（） ３求解，流人计算域 时按 △ ， 处理。 Ｔ ＝０ Ｉ
参考文献
［］ 吴江航，韩庆书．计算流体力学的理论、方法与应用．北京： １ 科学出 版社，１８ ９７ ［１ 陈惠泉，毛世民．水面蒸发的计算与验证— 水面蒸发 系数的一个全国通用公式． 中国水利水电科学 ２ 研究院、 安徽省淮河水利委员会水利科学研究所，１９． ９４ １ ［］ 毅柏川，段杰挥．华能金陵燃机电厂— 温排水对环境水温影响的数值模拟研究． 中国水利水电科学 ３ 研究院，２０． ０１ ５